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第13章 高新材料技术(4)

短短十几年,仅美国研究和开发的砷化镓产品已逾千种。根据90年代末国际砷化镓集成电路会议的预测,砷化镓集成电路的市场销售额将每年翻一番,形成数十亿美元的规模。砷化镓及其代表的Ⅲ一Ⅳ族化合物半导体家族均身怀绝技,有待于进一步开发。

为人类造福的生物医学材料

当一个人发生骨折时,医生要用石膏为他固定患处;而患了龃齿时,则要用光固性高分子修补材料补上龃洞;而进行X光透视时所服用的钡餐,对很多人而言也不陌生。这些材料都是生物医学材料,又称生物材料,是用以和生物系统结合,以诊断、治疗或替换机体中的组织、器官或增进其功能。

生物医学材料有很多种类,它可以是天然产物,也可以是合成材料,或者是它们的结合,还可用有生命力的活体细胞或天然组织与无生命的材料结合而成混杂材料。生物医学材料不同于药物,其主要治疗目的不必要通过体内的化学反应或新陈代谢来实现,但是可以起到药理作用,甚至起药理活性物质的作用。与生物物质直接结合是生物医学材料最基本的特性,如直接进入人体的植入材料,人工心肺、肝、肾等体外辅助装置中与血液直接接触的材料等。除应满足一定的物理化学性质要求外,生物医学材料还必须满足生物学性能要求,即生物相容性要求,这是区别于其他功能材料的最重要特征。

生物医学材料按照组成和性质分为医用金属和合金、医用高分子材料、生物陶瓷以及它们结合而成的生物医学复合材料。经过处理的天然组织,由于其来源特殊,另成一类生物衍生材料。根据在生物环境中发生的生物化学反应水平,可分为近于惰性的、生物活性的以及可生物降解和吸收的材料。还可根据临床用途,分为骨、关节、肌腱等骨骼——肌肉系统修复和替换材料;皮肤、乳房、食道、呼吸道、膀胱等软组织材料;人工心瓣膜、血管、心血管内插管等医用膜材料;组织粘合剂和缝线材料;药物释放载体材料;临床诊断及生物传感器材料及齿科材料等。生物医学材料事关人们健康,生产和使用都必须遵守国际标准化组织或中国国家标准,严格地进行安全性、可靠性评价并认可之后,才能投入使用。

防低频噪音的合成材料

研究证明,诸如直升机旋翼叶片发出的嗡嗡的低频噪音不只令人烦燥,还能使人的血压增高,加快疲劳。

承担为直升机机组人员研制听力防护装置的美国海军科学家们发现,市场上现有的材料中没有一种材料能够充分阻隔噪音,因此他们发明了一项新技术。海军航空航天医学研究实验室科学和技术负责人、海军上尉鲍勃·海因说,他们已经获得专利权的这项技术表现出非常广阔的应用前景,除了能用它制造保护耳朵的耳套,商家还纷纷希望把这项技术应用于家用电器、汽车、飞机、太空飞船、船只以及建筑物等行业。

彭萨科拉海军航空站实验室负责人、声学博士格里·托马斯说:“这不只是一种材料,而是一项技术。迄今为止,我们应用这项技术制造的每一种材料都获得了成功。”

测试结果表明,根据不同的应用对象,这项技术可以把声音的阻隔能力提高50%至100%。厚0.6厘米的这种新型合成材料的声音阻隔效果相当于厚1英尺的混凝土。

托马斯和另一位发明人比尔·库什曼博士根据基础物理学原理研究成功了这种噪音阻隔材料。声波在不同材料交汇的地方失去能量,但是这样的薄片层无法用于制造耳套。

托马斯说:“我们想知道,是否能用非常小的非常不同的粒子阻隔噪音,因为声音需要分子碰撞才能行进。”

试验结果是肯定的,但是他们做了41次试验才找到高阻抗和低阻抗粒子的正确比例。托马斯说:“这个比例非常独特,如果出现百分之几的偏差,就会失去阻隔噪音的效果。”

为了在诸如飞机制造等高强度合成材料领域应用这项技术,该实验室还向佛罗里达大学和佛罗里达农业和机械大学求助。托马斯说,一家化学公司希望试验用这种材料制造凯夫拉尔等纤维。

库什曼还同马里兰州罗克维尔智能自动设备公司的研究人员合作,研制一种供海军士兵在嘈杂环境中使用的头盔。这种头盔由阻隔噪音的耳套和通过数字形式消除背景噪音的麦克风组成。

托马斯说,彭萨科拉海军实验室已经投入近200万美元开发这项技术,如果他们开发的薄片材料获得成功,投入的资金可以在几个月内通过向生产商收取特许使用费的方式收回。

应用前景广阔的新一代磁性材料

磁性材料史迹悠久,可追溯到我国战国时代发明的指南针,进入20世纪。磁性材料发展十分迅速。根据磁性材料性能特点可概括为:硬磁材料(或永磁材料)、软磁材料和磁光材料等。其中永磁材料特别引人注目。

永磁材料系材料经磁化后,不再需要从外部供电即产生磁场的材料,故亦称永磁体。永久磁材料可分为三大类:一是铝镍钻永磁材料;二是铁氧体永磁;三是稀土永磁材料。稀土永磁材料在永磁材料王国中占有特别重要的地位,其开发速度十分惊人,第一代稀土永磁如钐钴合金开发于20世纪60年代,70年代开发出第二代稀土永磁材料,到80年代,钕铁硼的开发应用可称第三代稀土永磁。可见,平均10年就有一代稀土永磁开发出来。

钕铁硼的诞生称得上是永磁材料发展史上的一大飞跃,它的价格较低,磁性能优越,密度小,最大磁能积高(400KJ/m3)。近来通过添加其他组系,如Co、Ni、Mo等可改善其耐蚀性和温度稳定性及提高矫顽力,可扩大钕铁硼的应用范围。钕铁硼永磁材料在工业上主要用于电机制造,突出的性能优势是体积小、重量轻、比功率大、效率高。钕铁硼永磁的另一重大贡献是做为医用核磁共振成像仪的核心部位。此外还可用做电声器件中的传声器、高频扬声器和立体声耳机以及磁硫体密封器、磁水等等。

我国是世界上稀土最丰富的国家,研制成功的高温度和低温度系数的新型钕铁硼永磁材料,各种性能优于国外产品,尤其是具有更低的温度系数,成本低于国外5%,占有一定的国外市场。当今国内外正在向第四代稀土永磁材料开发进军,即开发稀土铁氮系和稀土铁过渡金属系(RFeM)等性能更好、更经济的新一代稀土永磁材料。

20世纪兴起的高性能金属材料还有高强度核铝锂合金、超细颗粒金属材料等,在高技术革命中占有重要地位,并具有广阔滋长的应用前景。

打不碎的陶瓷基复合材料

由纤维增强陶瓷的陶瓷基复合材料既可保留陶瓷材料耐高温、高硬高强和耐磨蚀的性能,同时又克服了陶瓷的脆性,陶瓷基复合材料可满足1200℃~1900℃的使用条件。人造地球卫星、载人宇宙飞船等的发射成功,取决于称为“烧蚀材料”的陶瓷基复合材料,当宇宙飞行器从外层空间返回地球时,稠密的大气层是它的必经之地,高速的飞行速度使飞行器和空气之间产生强烈的摩擦,由此而放出的热量瞬间可高达8000℃~10000℃,“烧蚀材料”此时吸收大量的热烧掉自己的一部分,与些同时使周围的温度降低,以保证飞行器本体安然无恙。

陶瓷基复合材料除了用于航空航天部件,还可用于滑动构件、发动机部件和刀件具等。法国用长纤维增强碳化硅复合材料作为超高速列车的制动机,其优异的摩擦磨损特性是传统制动件无法相比的。

陶瓷基复合材料以优异的耐高温和耐磨损性能取胜于其他复合材料,但由于价格昂贵使其应用受到一定限制。

先进复合材料为航天航空事业做出了重大贡献,最新研究结果表明,在某些特种飞机上先进复合材料用量已占50%以上,美国最新生产的具有隐身功能的轰炸机B-2,其机体的结构材料几乎全是复合材料。当今先进复合材料已广泛扩展到其他领域,如用复合材料制成的箭,其箭杆重量减轻4%,命中率也大大提高。在汽车工业领域,用先进复合材料制成的制件代替同样性能的钢制件,可减重70%左右,而且在工艺上可一次成型,可用来制造汽车车体、受力构件、发动机架和内部构件。先进复合材料在化工、纺织业、医疗和精密仪器等领域也发挥着不可估量的作用。

先进复合材料的研究十分活跃,发展趋向有以下特点:由宏观复合向微观复合发展;由增强性的双元混杂向超混杂复合发展;由结构复合向多功能复合发展。复合材料除具有力学性能外,还有其他如电、磁、光等性能。

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